摘要:基于伺服控制理论,介绍一种新型超精密直线运动工作台.精密工作台的底部和四周共设置九个主动空气支承,普通机械导轨拖动,除运动方向外其余五维位置姿态由两只四光束激光探头进行测量,并将测量值送控制器与目标值比较,驱动压电陶瓷致动补偿空气膜厚度随外部干扰变化对运动精度的影响.系统固有误差作预处理后,运动精度主要取决于传感器的精度而得到有效的提高.
在三坐标测量机和精密机床中,需要高精度的直线运动工作台,其精度已要求达到直线导轨的位置精度0.1μm/m,角度精度0.1″/m[1,2].实现此精度要求的一种方法是采用静压支承,其中,空气支承通常采用通过控制器驱动阀门,改变空气压力调节气膜厚度,来稳定支承精度,但问题是空气膜衰减较差、刚性小,导致系统响应速度慢、小振动不易去除[3~5].本研究基于现代控制理论,提出了一种新型主动控制空气静压超精密导轨,不改变供气压力,利用压电陶瓷致动补偿空气膜厚度随外部干扰的变化对运动精度的影响[6,7].
1 工作台系统结构
如图1所示,精密工作台M底部和四周共设置九个由压电陶瓷致动器1和气垫2组成的主动空气支承(如图2),气浮在普通机械工作台上,并由普通机械工作台丝杠8拖动,除运动方向外其余五维位置姿态由两只四光束激光探头4和5以水平基尺6、垂直基尺7为基准进行测量,其中探头4测量水平方向位移y、偏转角γ、运动方向的滚动角α,探头5测量垂直方向位移z、俯仰角β[8],并将测量值送计算机控制软件与目标值比较,驱动压电陶瓷致动补偿空气膜厚度随外部干扰的变化对运动精度的影响.系统固有误差作预处理后,运动精度主要取决于传感器的精度而得到有效地提高.
2 支承与伺服控制原理
图2所示为主动空气支承结构.高压气体气膜将空气垫与工作台隔离开,空气垫与底部之间设置压电陶瓷驱动器(PZT)[1,9],激光探头将工作台垂直位移测量值Z输入控制器与目标值Zr比较,根据e=Zr-Z值与PZT的电源电压控制PZT的伸缩量U,在供气压力一定而气膜厚度由外部干扰D引起变化时,压电陶瓷驱动气垫加以补偿实现对工作台位置精度的反馈控制.
系统组件为:工作台质量M;压电陶瓷特性C1,K1和Cp;气垫质量m,气膜特性C2和K2;激光探头;放大器放大率KS;还有控制器.
系统模型为二维衰减振动.由于特性系数C1K1 C2K2,压电陶瓷的振动特性与空气膜的振动特性可以分开考虑.
图3为二自由度伺服控制系统框图,F1,F2和H组成反馈控制环节,G1和G2为工作台、运动物体、空气膜、压电陶瓷确定的传递函数.目标值Cr=[zrγrαryrβr]T;测量值C=[CzCγCαCyCβ]T;比较值E=[EzEγEαEyEβ]T;可得
反馈控制系统的目的是使精密工作台M的位置测量值C与目标值Cr相一致,而不受外部干扰D的影响,但干扰总是存在的,因此必须考虑这样两个关系,一是位置测量值C尽量接近目标值Cr;二是外部干扰D尽量不影响位置量C.
二维控制系统设计时,尽量使C/D为最小,但要使C/D=0,就要使(F1+F2)为无穷大,实际系统中,若(F1+F2)太大,系统就不稳定了,因此增加(F1+F2)的值,并取系统不稳定发生之前的最大值为最佳状态.
由式(3)和(4)组成PID-PD系统,而式(3)和(5)组成PID-PDD2系统具有较多的参数可供选择,控制效果更好.将F1和F2代入式(1)和(2),调整值使C/D为最小,C/Cr为最好,对系统进行优化.
3 系统精度分析
系统有两个控制器,在静态突然加负荷于系统,考虑上下、左右、俯仰、滚动、偏转等5种情况,将系统未加控制与加控制后的输入、输出特性逐一比较.图4为5维误差测量曲线,图4(1)为在中心位置突然放下10 kg掷块时测垂直位移z,图4(2)为在左侧突然放下10×9.81 N掷块时测滚动角α,图4(3)为在上侧突然放下10×9.81 N掷块时测俯仰角β,图4(4)为在右侧加10 kg力拉簧时测水平位移y,图4(5)为在右上角加10 kg力拉簧时测偏转角γ.
从图4可知,根据直线运动精度实现的基本思想,对直线运动精度实现控制时可达位置精度0.1μm/m,角度精度0.1″/m.
对以下问题进行改善,直线运动精度可望达到位置精度0.01μm/m,角度精度0.01″/m
.a.对直尺的形状误差先行测量[5],以其补偿曲线对控制器的目标值作修正,以致系统运动精度主要取决于传感器的精度,但直尺的形状误差是相对量;
b.系统响应方面主要是传感器的响应和空气自身具有压缩性;
c.振动主要来自拖动机构(马达、齿轮、丝杠),丝杠周期与距离影响较大,最好采用空气丝杠.
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作者简介:李国顺(1962-),男,讲师;长沙,中南大学铁道校区机电工程学院(410075).
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975012);铁道部专项基金资助项目(J98Z102).
